数控机床“对刀”原理解析及应用

　大家对数控机床中的“对刀”方法与操作早已“熟知”，然而，对其蕴含的“基本原理”却很少有人“深究”，本人结合自己多年数控机床操作与维修的经验，就关于数控机床“对刀”的一些基本原理和应用，和读者作一些探讨交流。

1. 相关概念

　　在我们进行阐述原理之前先介绍几个基本概念术语，这些都和“对刀”相关，了解了这些概念之后，有助于我们对“对刀”原理更深层次的理解。

　　(1) 机床参考点：机床中的一固定点，是用来建立机床坐标系的基准，由机床生产厂家确定，对于采用非记忆型编码器的机床开机后通常要执行“回参考点”工作。

　　(2) 机床坐标系：由机床生产厂家确定，对于“有挡块”的非“绝对编码器”的机床而言，通常是通过回“参考点”之后进行确立，是机床确立自身部件的依据，在加工的过程中，其他坐标系都要通过数控系统内部逻辑“换算关系”转换成“机床坐标系”，即机床坐标系是数控系统唯一能够“识别”的坐标系。

　　(3) 机床原点：即机床坐标系的零点，机床坐标系建立之后“零点” ( 即“机床原点”) 随之确立，它可以和机床参考点重合一致( 即机床原点与机床参考点是同一点) ，也可以不一致，一般是可以通过数控机床“系统参数”进行设置确定。

　　(4) 工件坐标系： 是由编程人员确定，是编程坐标系，主要是考虑编程、加工及装夹等方便而进行设置，是编制程序时的基准。

　　(5) 对刀点:：进行“对刀”操作时的参考基准点，通常是以刀具的加工切削点( 一般是以刀具的刀尖) 为基准，通过对“对刀点”的操作与识别，使数控系统建立起机床坐标系与工件坐标系之间的联系。

2. “对刀”概念及作用

　　编程人员采用的是“工件坐标系”，而数控机床所能够识别的是“机床坐标系”，如何让数控系统能够“明知”用户建立的工件坐标系在“何处”，这就需要进行“对刀”操作，即“确立工件坐标系的原点在机床坐标系中的位置”，进行“对刀”操作完毕之后，对刀点的移动轨迹应是编程人员指定工件坐标系中规定的移动路线轨迹。因此，“对刀”操作实际上是建立起了机床坐标系与工件坐标系之间的联系，从而使它们之间可以相互转换。即

3. 对刀原理

　　由以上论述得知，“对刀”的最终任务是: 确立工件坐标系的原点在机床坐标系中的位置，即确立二者之间的关系。为了阐述方便，绘制了图1 进行说明。

　　设定工件坐标系与机床坐标系的关系为如图1所示，工件坐标系的原点在机床坐标系中的坐标( X'，Z') 值为( Δa，Δb) ，则工件坐标系中的任一点A ( X，Z) 转换成机床坐标系中的值为：工件坐标系中的坐标值与原点偏移值的代数和，即

　　因此，如果能够确定了工件坐标系的原点在机床坐标系中的偏移值( Δa，Δb) ，则程序中工件坐标系的值便可顺利得转换成机床坐标系的值，能够被数控系统所识别。所以，数控系统也正是事先通过“对刀”操作，获取并记录“工件坐标系的原点在机床坐标系中的偏移值( Δa，Δb) ”，然后再根据式( 1) 计算出机床坐标系的值，这正是“对刀原理”。

　　下面以华中世纪星数控车床为例，通过不同的“对刀方法”，分析数控系统是如何获取偏移值( Δa，Δb) 进行“对刀”的。

　　(1) 试切对刀。设工件坐标系的建立如图2 所示，X 轴在工件的右端面，Z 轴在主轴的中心线上，则“对刀”步骤为:

　　①Z 向对刀: 手动模式→试切工件端面→Z 方向不动，沿X 方向退出→MDI F4→刀偏表F2，出现图3 操作界面，按开始键将光标移至“试切长度”→输入Z 方向工件坐标系的值( 因为此时工件坐标系的原点建立在工件的右端面，Z 向坐标值为0，即输入0 即可; 如果不是在右端面，输入相应的坐标值即可。) →按回车→系统自动计算出“Z 偏置”值( 工件坐标系的原点在机床坐标系中的Z 向坐标值) ，该刀Z 方向对刀完毕。

　　②X 向对刀: 试切外圆→X 方向不动，沿Z 方向退出→测量出工件直径a ( 即X 向的工件坐标系的值，系统会自动计算出半径值) →MDI F4→刀偏表F2，出现图3 操作界面，按开始键将光标移至“试切直径”→输入测量的直径a→回车→系统自动计算出“X 偏置”值( 工件坐标系的原点在机床坐标系中的X 向坐标值) ，该刀X 方向对刀完毕。

　　“试切对刀”的操作过程原理是: 机床回参考点后，系统能够自动确立当前“对刀点”A ( X，Z)的机床坐标值→操作人员测量工件坐标系的值( X，Z) 输入数控系统→数控系统根据二者的关系计算出偏移值( Δa，Δb) →确定工件坐标系的零点在机床坐标系中的位置→建立起二者之间的联系

　　在程序加工过程中系统根据式(1) 将工件坐标系的值换算成机床坐标系的值。其中X'、Z' 为对刀点的机床坐标值，X测、Z测值为对刀过程中的测量( 工件坐标系) 值，在测量过程中X测为直径值的一半( 在直径编程方式下输入直径值，系统会自动进行取半) ，Z测为试切长度。

　　(2) G92 指令建立。另外一种“对刀”方法是用指令G92，在程序中直接指定进行建立，格式为G92 X----，Z----，即建立起的坐标系使当前“对刀点”的坐标值为指令中指定的值，如图4 所示: 当刀具“对刀点”走到A 点时，用指令“G92 X60，Z50”是确定了当前“对刀点”的坐标值是工件坐标系中X60、Z50 的位置，也就是分别距离当前对刀点“逆向”X 向60、Z 向50 的位置为工件坐标系的原点。假如当前点的机床坐标系中的值为X' = 150，Z' = － 200，则工件坐标系的零点在机床坐标系中的实际位置是X' = 90，Z' = － 250 ( 注: 为说明方便，X 向假设为半径编程方式，直径编程时原理相同，数值直接乘以2 即可) 。

　　此种方法也是系统已知机床坐标值，工件坐标系的值由G92 程序指令中指定( 不像“试切对刀”需要进行测量) ，根据式( 2) 系统很方便的计算出偏移值( Δa、Δb) ，完成“对刀”。

　　(3) 指定原点。第三种方法是: 用户如果能够确立工件坐标系与机床坐标系的关系，则可以直接在“对刀”操作界面图3 “X 偏置”、“Z 偏置”栏中输入工件坐标系在机床坐标系中的偏移值，这实际上是直接“告知”了系统“工件坐标系的原点在机床坐标系中的位置”，从而确立了二者之间的联系。

4. 应用意义

　　(1) 只要“对刀点”位置未改变( 即保证刀具装夹方式未改变，暂不考虑刀具磨损) ，工件坐标系的原点相对于机床原点位置未改变，多次重复加工时勿需重新“对刀”。

　　在实际批量生产中，刀具装夹合适后，就不会随意更换，如果不考虑刀具本身磨损，则可以保证“对刀点”不变，所以唯一可能改变的是工件坐标系的原点相对于机床原点位置。在数控车床中，建立的工件坐标系Z 轴一般与主轴中心重合( 卧式车床) ，其精度可用三爪卡盘准确定位进行保证，所以工件坐标系的原点X 向不会改变，而可能改变的是Z向，因为同样是将工件坐标系的原点建立在工件的“右端面”，但由于工件装夹时毛坯料伸出的长短不一致，可能导致“原点偏移”，此时如果不重新“对刀”则会造成多次加工的工件不一致。因此，为了保证Z 向“伸出材料长度”一致，避免“重新对刀”，通常的做法是: 首先，装夹毛坯件时采用“样板”粗定位( 即装夹时用“样板”作基准，或用专用夹具定位) ; 其次，在程序中加入“平整端面”的语句行，进行精确定位，以消除Z 向由于装夹时带来的“粗大误差”。下面是常用的模板指令程序代码：

　　(2) 用G92 建立的坐标系，多次重复运行时要防止“原点”可能“跑偏”。在实际程序加工过程中，由于G92 建立的坐标系是以刀具“当前点”为前提，“逆向反推”指令中指定的距离后得到工件坐标系的零点，所以，虽是同一条指令，但刀具“当前点”位置不同，最终的工件坐标系建立的原点也不同，这就要求同一程序反复使用时注意它们的“起刀点”位置要相同，否则，工件坐标系的零点位置会“跑偏”，如果不重新进行“对刀”操作，轻则加工出的零件精度不一致，零件尺寸错误产生“废品”，重则产生“撞刀”，酿成事故，所以，在实际程序加工过程中，在程序结束前务必将“刀具”停留在建立工件坐标系“起始”的位置处。

　　(3) 采用直接输入工件坐标系原点的方法时要特别“慎重”。第三种“对刀”方法实际上已知二者的关系时才会用到，它一般是在“首件试切”前，为了验证“走刀路线轨迹”，确保刀具不会“撞到工件”的安全情况下，而又略去进行“试切对刀”，然后采用“外加偏移”方法的繁琐，所以通常是先手动进给轴至安全距离，然后记录下“机床坐标系的坐标值”进行输入，此种方法更多的是用在“调试程序”阶段，在“空走刀”的情况下验证其“轨迹”，由于此种方法往往在程序中设定进给速度很快，甚至在机床操作面板中设置“空运行”按钮有效，所以输入时一定要确保: “指令最大运行范围值”在实际运行中处于“绝对安全范围”内，否则会因设置不当造成“撞刀”，甚至引发人身安全事故，对于初学者此种方法要“慎用”。

5. 结语

　　由以上论述得知，数控机床工作过程中各坐标系的建立与转换的相互关系为: 机床开机→回参考点→确立机床原点→确立机床坐标系; 编程人员→确立工件坐标系→对“对刀点”进行“对刀”操作→确立工件坐标系在机床坐标系中的位置→数控系统在零件加工过程中把工件坐标系转换成机床坐标系。因此， “对刀”操作是数控加工过程中重要的一环。

　　“对刀”方法虽然形式多样，但最终的目标只有一个: 确立工件坐标系的原点在机床坐标系中的偏移值。“试切”对刀和“G92 程序指令”的方法是告知系统当前的工件坐标系的值，让系统“反推”出“偏移值”，只不过“试切”对刀的方法是通过操作人员的测量，而后者是直接在程序中指定; “直接输入”的方法则是直接告知系统工件坐标系原点的信息。

　　本文中虽是以“华中数控”系统车床为例，但原理同样适用于其他厂家的数控系统，不同厂家生产的数控系统其“对刀”方法与步骤虽“略有不同”，但总体“大同小异”，其基本原理是“相通”的; 而对于铣床与加工中心，只不过是增加了第三或第四轴，所以，本文所讲得“对刀原理”具有普遍的意义。

　　对“对刀原理”的深刻理解有助于我们更好的进行“对刀”操作，了解数控机床中坐标系的确立过程与零件加工、进给运动部件位置的精确定位原理，从而更加灵活的对机床进行操作及运用编程指令进行程序编制，更好的发挥机床的生产效率。

作者：华北机电学校   焦连岷

原文刊发于：《金属加工（冷加工）》2014年第9期59页，金属加工版权所有。